AC-Ladeverluste bei E-Autos

Durchschnittlich etwa 80 Prozent des zum Laden eines Elektroautos bezogenen Wechselstroms wird in der Antriebsbatterie gespeichert. Der Rest wird in Wärme umgewandelt und geht verloren.

Wie entstehen Ladeverluste?

Beim Entladen eines Lithium-Ionen-HV-Akkus wandern Lithium-Ionen von der Kathode zur Anode und setzen dabei elektrische Energie frei. Beim Aufladen laufen die elektrochemischen Vorgänge in umgekehrter Richtung ab. Dazu wird ein dem Entladen gegengerichteter elektrischer Stromfluss erzwungen, der gegen den Innenwiderstand des Akkus arbeitet. Dadurch kommt es zu einer Art Reibung, die den Akku erwärmt und als Wärmeenergie verloren geht.

Die meisten Ladeverluste entstehen aber nicht durch die Erwärmung des Akkus sondern bei der Umwandlung von Wechselstrom (AC) aus dem Stromnetz in Gleichstrom (DC) für die Hochvoltbatterie. Diese Aufgabe übernehmen On-Board-Ladesysteme, deren Wirkungsgrad je nach Ladestrom zwischen 75 und 95 Prozent beträgt. Verluste fallen auch in den Ladekabeln sowie den Ladeanschlüssen an.

Ladeverluste haben einen direkten Einfluss auf die Ladezeit und die Ladekosten. 20 Prozent Ladeverlust bedeuten eine um 20 Prozent längere Ladezeit sowie um ein Fünftel höhere Ladekosten.

Wie hoch die Ladeverluste beim Laden von Wechselstrom sind, lässt sich anhand der WLTP-Daten ermitteln.

AC-Ladeverluste von E-Autos

Quelle: WLTP-Herstellerangaben, eigene Berechnungen

Was ist WLTP?

Der weltweit einheitliche WLTP Test (World Light Duty Test Procedure) ist ein neues, realistischeres Messverfahren zur Ermittlung von Verbrauch, Reichweite und Emissionen von PKW und leichten Nutzfahrzeugen und ersetzt seit September 2018 schrittweise das aus den 90er Jahren stammende NEFZ Prüfverfahren.

Bei Elektroautos werden mit dem WLTP-Test die Reichweite und der Stromverbrauch ermittelt. Für die Reichweitenmessung werden so lange Prüfzyklen durchfahren, bis die zum Testbeginn vollständig geladene Antriebsbatterie leer ist. Für die Verbrauchsermittlung wird anschließend der leere Akku mit Wechselstrom (AC) wieder zu 100% aufgeladen. Da die ab dem Ladepunkt vom Fahrzeug aufgenommene Energie gemessen wird (Tank-to-Wheel), enthält die Messung auch die bei der Aufladung entstehenden Energieverluste. Ist die nutzbare Kapazität der HV-Batterie bekannt, können so mit den WLTP-Messwerten die Ladeverluste bestimmt werden.

Leider veröffentlichen nicht alle Autohersteller die Nettobatteriekapazität oder den WLTP-Verbrauch ihrer E-Autos. Angaben mit (*) beruhen daher auf Schätzungen oder Umrechnungen anderer offizieller Werte.

Wie hoch sind die Ladeverluste beim DC-Laden?

Beim DC-Schnellladen fließt der Gleichstrom aus der Ladestation direkt in die HV-Batterie des E-Autos. Somit entstehen keine Ladeverluste durch die Umwandlung von Wechsel- in Gleichstrom. Da beim Schnellladen allerdings mehr Strom in kürzerer Zeit fließt, sind die Wärmeverluste höher. Je nach Ladeleistung und HV-Batteriesystem betragen die Ladeverluste beim DC-Laden etwa 5 bis 10 Prozent.

Wie können Ladeverluste reduziert werden?

Ladeverluste beim AC-Laden können reduziert werden, indem der On-Board-Lader des E-Fahrzeugs im optimalen Wirkungsgrad betrieben wird. Besonders ineffizient arbeiten die On-Board-Ladesysteme, wenn zu wenig Strom fließt. Beim einphasigen Laden an der heimischen Steckdose wird meist nur ein Ladewirkungsgrad von 75 Prozent oder weniger erreicht.

Deutlich besser sind die Ladewirkungsgrade beim Laden an einer Wallbox oder einer öffentlichen AC-Ladesäule. Erfahrungsgemäß werden die besten Ergebnisse erzielt, wenn die Ladeleistung am Auto oder über die Wallbox auf ca. 10 Prozent des Maximalwert des On-Board-Laders begrenzt wird. Bei einem 11 kW-Bordlader sollte die Stromstärke auf 14 Ampere eingestellt werden (220 Volt x 14 Ampere x 3 = 9,24 Kilowatt). Gleichzeitig wird damit der On-Board-Lader geschont, der es mit einer längeren Haltbarkeit danken wird.

Einen geringen Einfluss auf die Ladeverluste hat auch das verwendete Ladekabel. Zur Optimierung sollte ein möglichst kurzes und dickes Ladekabel verwendet werden.

Wie effizient sind E-Autos?

Im Vergleich zu Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor sind Elektroautos trotz Energieverluste beim Laden deutlich effizienter. Während E-Autos im Durchschnitt etwa zwei Drittel der elektrischen Energie aus dem Stromnetz in Antriebsenergie umsetzen, beträgt der Wirkungsgrad von Benzinfahrzeugen lediglich 12 bis 30 Prozent. Da der Elektromotor gleichzeitig als Generator fungiert, wird außerdem durch Rekuperation Energie zurückgewonnen, die bei Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor durch Bremsen verloren geht. Die Energieeffizienz eines Elektroautos unter Berücksichtigung der Rekuperationsleistung beträgt sogar 75 Prozent und mehr.